광석 폐기물을 모래 대체재로 활용 (영상)

문광주 기자 / 기사승인 : 2022-04-19 22:02:03
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- 물가 모래의 과잉 개발은 이미 세계 여러 지역에서 환경 문제와 지반 침하를 일으키고 있다.
- 건축용 골재 사용량은 지난 20년 동안 3배 증가했으며 현재 연간 약 500억 톤.
- 광산의 암석 잔류물은 지구상에서 가장 큰 폐기물, 매년 약 300억에서 600억 톤이 생산
- 광산 폐기물은 전 세계적으로 필요한 천연모래의 최대 절반을 대체할 수 있다.

모래 대체재로서의 암석 잔류물
광석 채굴에서 나오는 폐기물이 부족한 건설 원자재를 대체할 수 있다.


폐기물에서 원료로:
광산에서 넘쳐나는 암석 폐기물을 재활용하면 부족한 원료 모래를 대체하는 데 도움이 될 수 있다. 광석 추출에서 남은 암석 잔류물은 건물 모래 또는 모래 첨가제로 적합하기 때문이다. 추가 공정 단계를 통해 이 광석 모래는 규산염 공급원으로 사용될 만큼 충분히 사용할 수 있다. 연구에 따르면 이 물질은 전 세계적으로 필요한 천연모래의 최대 절반을 대체할 수 있다. 

▲ 광석을 채광하고 가공할 때 과도한 부담이 있다. 이는 모래 대용품으로 사용될 수 있다. © pavlemarjanovic/ 게티 이미지


모래는 건축 자재로서 필수 불가결할 뿐만 아니라 유리의 원료로도 필요하며 컴퓨터 산업 및 태양광 산업에서 반도체용 실리콘을 제공한다. 광활한 사막을 볼 때 그렇게 보이지 않더라도 모래는 희소한 상품이다. 바다와 수역에서 씻겨 나온 모래는 특히 사용하기에 적합하다. 그러나 물가 모래의 과잉 개발은 이미 세계 여러 지역에서 환경 문제와 지반 침하를 일으키고 있다.

대안을 찾았다.

“모래, 자갈 및 기타 골재는 물 다음으로 세계에서 가장 많이 이용되는 자원이다. 그들의 사용량은 지난 20년 동안 3배 증가했으며 현재 연간 약 500억 톤이다”고 Queensland 대학의 아템 골레프(Artem Golev)와 그의 동료들이 보고했다. "모래에 대한 수요는 전 세계적으로 기하급수적으로 증가하고 있다.“

근데 어디서 얻을까? 

Golev와 그의 팀은 이제 천연모래 자원을 적어도 부분적으로 완화할 수 있는 가능한 솔루션을 조사했다. 그들은 광석 광산의 과부하가 모래 대체물로 사용될 수 있는지 알고 싶었다. 금속 상품은 일반적으로 광석 암석의 작은 부분만을 구성하기 때문에 지하에서 채굴된 암석 대부분은 부서진 과부하 상태로 남아 있다.

광석 모래를 원료로?

"광산의 암석 잔류물은 실제로 지구상에서 가장 큰 폐기물이다. 매년 약 300억에서 600억 톤이 생산된다"고 연구원들은 보고했다. 그러나 지금까지 과적재는 대부분 사용되지 않은 채로 남아 있었고 더미와 댐에 쌓여 있다. Golev와 그의 동료들은 브라질에 있는 Vale 광석 공장의 샘플을 사용해 광석 추출 후 남은 암석 잔류물이 모래 대체에 필요한 기계적, 화학적 및 기타 특성을 가지고 있는지 테스트했다.

철을 추출하기 위해 먼저 광석을 함유한 암석을 부수고 분쇄한다. 그런 다음 철 부분은 무엇보다도 자석, 서스펜션 및 재료의 밀도에 따른 분리에 의해 분리된다. 건조 후 철광석 옆에 남아 있는 것은 암석 가루(연구원들이 광석 모래라고 부르는 물질)이다.

화학적으로 무해하고 규산염이 풍부


광석 모래 테스트에 따르면 재료는 화학적으로 천연모래와 매우 유사하다. Vale 광석 모래는 평균 약 90%의 규산염과 약 9%의 산화철과 소량의 기타 금속 산화물을 포함한다. Golev와 그의 팀은 "이 물질은 또한 거의 중성에 가까운 pH 값과 매우 낮은 전기 전도도를 가지며 가용성 황산염과 염화물을 극도로 적게 포함한다"고 보고했다.

따라서 적어도 화학적 관점에서 이 재료는 건축용 모래로 적합할 것이다. 또한 중요하다. "매우 낮은 수준의 중금속 및 기타 잠재적으로 유해한 요소로 인해 환경 오염의 위험이 최소화된다"고 팀은 말했다. "시험 결과는 또한 물질이 불활성이고 무독성임을 보여준다.“
▲ 추가 처리 전에 분쇄된 철광석. © CUHRIG/게티 이미지

충분히 단단하지만 약간 너무 미세함

예를 들어 콘크리트 생산에서 모래를 대체하려면 재료도 올바른 기계적 특성을 가져야 한다. 과립은 가능한 한 둥글고 안정해야 하며 너무 미세하게 가루가 되지 않아야 한다. 광석사 시험에서는 강도와 형태 면에서 천연모래를 따라갈 수 있는 것으로 나타났으나 입도에 관해서는 “21~22중량%에서 재료의 섬도가 일반모래보다 높다. 가공된 모래에 권장된다"고 과학자들은 인정한다.

그럼에도 불구하고 Golev와 그의 팀은 광석 모래가 콘크리트 및 기타 건축 자재에서 천연 모래의 적어도 일부를 대체할 수 있다고 믿는다. 필터링을 통해 미세먼지 비율도 줄일 수 있다. 그리고 유리 생산을 위한 원료로도 광석 모래가 잠재적으로 적합할 것이다. 금속 산화물 함량을 더 줄이기 위해 추가 처리 단계를 추가하면 된다.

추가 테스트에서 브라질의 과부하 광석은 규산염 함량을 99.5~99.7%까지 낮출 수 있다. "따라서 이러한 산업 응용 분야에서 규산염 모래에 대한 요구 사항을 충족시킬 수 있다"고 팀은 말했다.

<광석 폐기물은 모래 대용품으로 사용될 수 있다. © 제네바 대학교>


모래 대체재로서 광석 모래의 잠재력은 얼마나 클까?


전반적으로 연구원들은 광석 폐기물을 재활용하여 하나의 돌로 두 마리의 새를 잡을 수 있는 좋은 기회를 보고 있다. 광산은 과도한 부담을 줄이는 동시에 부족한 모래 자원을 비축하는 데 도움이 될 수 있다. "우리 조사에 따르면 전 세계 광산 위치의 약 1/3이 반경 50km 내에서 광석 구매자를 찾을 수 있다"고 Queensland 대학의 프로젝트 관리자 Daniel Franks가 설명했다.

반대로, 전 세계적으로 거래되는 모래 양(量)의 거의 절반을 광석 모래의 현지 공급업체로 대체할 수 있다. "예를 들어, 광석 모래는 중국에서 약 10억 톤의 모래 수요를 처리할 수 있다"고 프랑크(Frank)는 말했다. 공동 저자인 제네바 대학의 파스칼 페두찌(Pascal Peduzzi)는 "이전에는 단순한 잔재물로 여겨졌던 것을 사용함으로써 순환 경제를 발전시킬 수도 있다.“
(Ore-sand: A potential new solution to the mine tailings and global sand sustainability crises – Final Report; doi: 10.14264/503a3fd )

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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